Summary
우리는 제조 장치 및 탄소 나노 튜브 기반의 고주파 바이오 센서를위한 측정 프로토콜을 설명합니다. 높은 주파수 감지 기술은 근본적인 이온 (의 Debye) 선별 효과를 완화하고 기존의 전자 바이오 센서가 실패 높은 이온 강도 솔루션을 운영 할 나노 튜브 바이오 센서 수 있습니다. 우리의 기술은 점의 배려 (POC) 생리학 관련 조건에서 작동하는 전자 바이오 센서의 고유 한 플랫폼을 제공합니다.
Abstract
독특한 전자 특성과 단일 벽 탄소 나노 튜브 (SWNT) 및 반도체 나노 와이어의 높은 표면 대 부피 비율은 (NW) 1-4 그들에게 고감도 바이오 센서에 대한 좋은 후보를합니다. 충전 된 분자가 같은 센서 표면에 바인딩 할 때, 그것의 DC 전도성의 변화의 결과로, 센서 캐리어 밀도 5 변경합니다. 그러나 이온 용액에 청구 표면은 전기 이중층 (EDL)를 형성 솔루션에서 카운터 이온을 끈다. 이 EDL 효과적으로 충전을 화면 및 생리학 관련 조건 ~ 100 밀리몰 (MM), 특성 담당 검사 길이 (Debye에 길이) 나노 미터 (nm의) 미만이다. 따라서, 높은 이온 강도 솔루션, 충전 기반 (DC) 검출은 근본적으로 6-8을 방해합니다.
우리는 탄소 nanot을 운영하여, 높은 주파수에서 분자 쌍극자보다는 요금을 감지하여 충전 선별 효과를 극복고주파 믹서 9-11과 같은 우베 전계 효과 트랜지스터. 높은 주파수에서 AC 드라이브 힘은 더 이상 용액 저항을 극복 할 수 없으며 솔루션 이온은 EDL을 형성하는 데 충분한 시간을 가지고 있지 않습니다. 또한, 주파수 혼합 기술은 우리가 이온 심사를 극복 할만큼 충분히 높은 주파수에서 작동 할 수 있으며, 아직 낮은 주파수 11-12에서 감지 신호를 감지합니다. 또한, 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터의 높은 컨덕턴스 외부 신호 증폭기의 필요성을 미연에 방지 센싱 신호에 대한 내부 이득을 제공한다.
여기, 우리는 () 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터, (B) (C) 설계 및 장치에 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 마이크로 유체 챔버 (14)를 스탬프 나노 튜브 13 생체 분자를 기능화 등을 조작하는 프로토콜을 설명 (D) 다른 이온 강도 해결책 11에서 높은 주파수 감지를 수행합니다.
Introduction
충전 된 분자가 단일 벽 탄소 나노 튜브 또는 NW 전자 센서에 바인딩 할 때, 그것은 하나 기증 / 전자를 받아들이거나 지역 정전 게이트 역할을 할 수 있습니다. 두 경우 모두, 바인딩 분자 센서의 측정 DC 전도성의 변화로 이어지는, SWNT 또는 NW 채널 전하 밀도를 변경할 수 있습니다. 15-20 분자의 큰 다양성이 성공적으로 바인딩 이벤트 기간 동안 나노 센서의 DC 특성을 연구하여 발견되었다. 충전 감지 기반 감지 메커니즘은 레이블 무료 탐지 21 펨토 몰 감도 22, 전자는 기능 15를 읽을 등 많은 이점이있다하더라도, 그것은 단지 낮은 이온 강도 솔루션에 효과적입니다. 높은 이온 강도 솔루션, DC 검출은 이온 검사 6-8에 의해 방해된다. 충전 된 표면은 표면 근처에 전기 이중층 (EDL)를 형성하는 솔루션에서 카운터 이온을 끈다. EDL은 효과적으로 비용을 상영. T와 같은솔루션 증가 그는 이온 강도, EDL은 좁고 심사 증가됩니다. 이 검사 결과는 검사의 Debye 길이 λ D에 의해 특징입니다
, ε는 미디어의 유전체 유전율이고, K B는 볼츠만 상수, T는 온도이다, Q는 전자 전하, 그리고 C는 전해질 용액의 이온 강도이다. 일반적으로 100 밀리미터 완충 용액의 경우, λ D 1 nm의 주위 및 표면 전위는 완전히 몇 나노 미터의 거리에서 상영 될 것입니다. 그 결과로, 단일 벽 탄소 나노 튜브 또는 나노 와이어를 기반으로 나노 센서의 대부분은 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM의 건조 상태 20 또는 낮은 이온 강도 솔루션의 하나 운영- 10 MM), 그렇지 않으면 샘플 탈염 단계 15,23를 받아야합니다. 점의 배려 진단 장치는 제한된 샘플 처리 능력과 환자의 사이트에서 생리학 관련 이온 강도에서 작동해야합니다. 따라서 완화 이온 선별 효과는 POC 나노 바이오 센서의 개발 및 구현을위한 중요합니다.
우리는 메가 헤르츠 주파수 범위에서 단일 벽 탄소 나노 튜브 기반의 나노 센서를 작동하여 이온 선별 효과를 완화. 프로토콜은 자세한 나노 센싱 플랫폼과 생명 탐지를위한 고주파 혼합 측정을 기반으로 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터의 제조 여기서 제공. 단일 벽 탄소 나노 튜브는 철 촉매 24과 패턴 기판 위에 화학 기상 증착법에 의해 성장하고 있습니다. 우리의 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터를 들어, 우리는 일시 중단 된 높은 게이트 25 고주파 센서의 응답을 향상하는 데 도움이 나노 튜브 위에 500 nm의 배치 또한 컴팩트 MICR 수 있습니다 통합오 - 유체 챔버 장치를 밀봉하는. 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터 배경 이온 선별 효과를 극복하기 위해 높은 주파수 믹서 9-11로 운영됩니다. 높은 주파수에서 솔루션 모바일 이온은 EDL을 형성 할 수있는 충분한 시간과 변동 생명 쌍극자가없는 수 여전히 게이트 우리의 감지 신호 혼합 전류를 생성하는 SWNT. 혼합 주파수는 FET 나노 튜브의 비선형 IV 특성으로 인해 발생합니다. 우리 탐지 기술은 비용 기반의 탐지 및 임피던스 분광 26-27 종래의 기술과는 다릅니다. 첫째, 우리는 오히려 관련 비용보다 높은 주파수에서 생명 쌍극자를 감지합니다. 둘째, 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터의 높은 컨덕턴스는 감지 신호에 대한 내부 이득을 제공한다. 이 고주파 임피던스 측정의 경우와 같은 외부 증폭에 대한 필요성을 미연에 방지. 최근, 다른 그룹은 높은 바에서 생명 감지를 해결했다ckground 농도 23,28. 그러나, 이러한 방법은 복잡한 제조 또는 수용체 분자의주의 화학 공학을 필요로하는 더 참여하고 있습니다. 우리의 높은 주파수 SWNT 센서는 간단한 설계를 통합하고 나노 튜브 트랜지스터의 고유 주파수 혼합 속성을 사용합니다. 따라서 우리는 생리학 관련 조건에서 직접 작동하는 바이오 센서가 필요한 순간 점의 배려 검출을위한 새로운 바이오 센싱 플랫폼을 약속 이온 심사 영향을 완화 할 수 있습니다.
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Protocol
1. 단일 벽 탄소 나노 튜브 성장을위한 촉매 패터닝
- 500 nm의시 3 N 5백분의 4 nm의 그런가 2 필름 위에 성장 저압 화학 기상 증착 (CVD)과 실리콘 웨이퍼로 시작합니다.
- 40 초 동안 4,000 rpm으로 다음 5 초 동안 500 rpm에서 포토 레지스트 (PR)의 코팅 층을 회전합니다.
- 90 초 동안 115 ° C에서 웨이퍼를 굽는다.
- 촉매 (그림 1)를위한 직사각형 구덩이에 포토 마스크를 사용하고 300 0.3 초 엠제이 / cm 2의 UV (365 nm의) 조도에서 웨이퍼를 노출합니다. 노출 된 후 90 초 동안 115 ° C에서 웨이퍼를 굽는다.
팁 : 다른 크기의 디자인 구덩이 SWNT 화학 기상 증착 (CVD) 성장 과정에서 다양성을 고려하여 5 미크론 × 5 미크론, 10 미크론 × 5 마이크론 등의 예를 들어.
- 70 초 부드럽게 과정을 통해 웨이퍼를 흔들어에 대한 개발자의 웨이퍼를 개발할 수 있습니다.
- DI 물 공급과 웨이퍼를 씻어2 분 R 한 다음 질소 (N 2) 총을 불어 건조시킵니다.
- 10 -6 torr의의 챔버 압력에서 전자빔 증발 챔버 및 예금 0.5 nm의 철 (철)로 개발 된 웨이퍼를 넣습니다.
- 1.5 cm × 1.5 cm 작은 다이에 웨이퍼를 주사위.
- 10 분 각각에 대해 따뜻한 아세톤과 이소 프로필 알코올 (IPA)에 침지에 의해 포토 레지스트를 제거합니다. 이 나노 튜브 성장을위한 직사각형 구덩이 철 촉매 뒤에 둡니다.
2. 탄소 나노 튜브의 CVD 성장
- CVD 성장 용광로의 석영 관에 촉매 코팅 다이를 놓습니다.
팁 : 나노 튜브 성장을위한 스위트 스폿을 결정합니다. 성장은 우리로 (그림 2C)를위한 2 인치 X 2 인치 하류 지역에 균일.
- 포토 레지스트 잔류 물 (그림 2A)를 제거하는 한 시간 동안 880 ° C에서 공기 기판을 어닐링. 냉각 할 수 있습니다.
- 아르와 실을 제거3 SLM (분당 표준 리터)에서 5 분 곤.
- 아르곤 (그림 2B) 1 SLM의 흐름을 유지하면서 관의 중앙에 800 ° C로 가열을 진입로.
- 즉, 철 철 산화물을 변환 촉매 입자를 줄이기 위해 5 분 유량 수소의 0.2 SLM합니다.
- 단일 벽 탄소 나노 튜브를 성장하는 35 분 동안의 에틸렌 5.5 SCCM (분당 표준 입방 센티미터) (C 2 H 4) 소개합니다. 과정에서 0.2 SLM의 H 2 흐름을 유지합니다. 이 조리법에서 얻은 단일 벽 탄소 나노 튜브의 길이는> 20 미크론 (μm의)입니다.
- 용광로는 작은 아르곤 흐름을 실온으로 냉각 할 수 있습니다.
3. SWNT FET 트랜지스터 제작
- 탄소 나노 튜브의 전류 - 전압 (IV) 특성의 소스 - 드레인 전극을 정의하기위한 포토 마스크 (그림 1)을 디자인합니다.
팁 : 지금 APAR 전극 접촉 패드를 확장다이 t 그들은 심지어 활성 나노 튜브의 지역에 마이크로 유체 스탬프를 내려 놓고 후에 접근 남아 있도록.
- 연락처를 금속 증착 영역을 정의하는 단계 1.2 -1.6를 수행합니다.
- 보증금 티 / 10 -6 torr를 전자 빔 증발기 챔버에서 소스 - 드레인 컨택 오 0.5 nm/50 뉴 멕시코.
- 금속 이륙 하룻밤 아세톤에 다이를 남겨주세요. 이륙 후 10 분 동안 IPA에 다이를 찍어 한 후 건조하여 N 2 총을 날려.
- 500 ㎚의 담요 증착은 전자빔 10 -6 torr를 게이트 유전체에 대한 그런가 2 증발 않습니다.
- 게이트 전극을 정의하기위한 포토 마스크 (그림 1)을 디자인합니다.
- 게이트 금속 증착 영역을 정의하는 단계 1.2-1.6를 수행합니다.
- 전자 빔 증발기에서 최고 게이트 전극으로 50 nm/50 nm의 크롬 / AU 물을 증발시킬 것. 금속 이륙을 위해 3.4 단계를 따르십시오.
팁 : 힘 (을)를 높이기 위해 두꺼운 크롬 층을 사용F는 탑 게이트를 중단. 게이트 크기는 성공적인 서스펜션 중요하다.
- 담요 예금 최고 전극 보호막에 대한 그런가 2의 얇은 층 (20 nm의).
- 탄소 나노 튜브 채널에 액세스 할 그런가 2 트렌치를 엽니 포토 마스크 (그림 1)을 디자인합니다. 디자인 패드 식각 같은 마스크 영역 SWNT 채널에서 멀리 소스, 드레인 및 게이트 전극에 액세스하기위한 영역을 엽니 다.
- 그런가 2의 습식 식각을위한 트렌치를 열어 PR 패턴 단계 1.2-1.6를 수행합니다.
- 습식 식각 그런가 2 3 분 30 초 1시 20분 BHF 용액을 사용하여 증발. SI 3 N 4 BHF의 추가 침투를 방지하기 위해 식각 정지 층을 제공합니다.
팁 : 에칭 시간 보정을 권장합니다.
- 철저 DI 물에 장치를 씻어 후 5 분 동안 IPA에 담근다. N 2 총을 사용하여 건조 불어. 장치 성ructure은 두꺼운 크롬 층으로 인해 그대로 유지됩니다.
4. 탄소 나노 튜브 측벽의 화학적 기능화
- 6 개 mm 디메틸 포름 아미드에있는 1 pyrenebutanoic 산 석신 에스테르 (PBSE) (DMF) 용액을 준비합니다.
- 실온에서 1 시간 동안이 링커 분자 용액에 SWNT FET 다이를 품어.
- 철저하게 과잉 시약을 씻어 DMF의 주사위를 씻어. 장치를 타격 - 건조.
- biotinyl-3 20mg/ml 솔루션, 단일 벽 탄소 나노 튜브의 biotinylation을위한 DI 물에 6 dioxaoctanediamine (비오틴 PEO 아민 BPA)를 준비합니다.
- 철저 DI 물에 주사위를 세척하고 건조 폭파 된 후 18 시간 동안이 솔루션의 다이를 품어. BPA는 PBSE 링커 분자에 연결됩니다.
- 스트렙 바인딩 7.2 pH를 PBS 용액에 1mg/ml의 스트렙 타비 딘의 솔루션을 준비합니다.
- 정적 측정을 위해, 완전히 바이오틴 단일 벽 탄소 나노 튜브를 기능화하기 위해 20 분 동안 스트렙 타비 딘 용액에 다이를 품어. 토로ughly 씻어 주사위를 건조 불어. 실시간 감지를 들어, 첫 번째 PDMS 흐름 채널 (6 단계) 도장 후 스트렙 바인딩 (그림 3) 높은 이온 강도의 배경 스트렙 타비 딘 용액 흐름.
참고 : 우리는 스퀴즈 병을 사용하여 다이에 분배 DI 워터 (~ 50 ml)에 의해 주사위를 씻어. 그렇다면 우리는 DI 물을 포함하는 다른 페트리 접시에 다이를 이동하고 1 분 동안 주위에 주사위를 이동합니다. 우리는 두 단계 8 ~ 10 시간의 합계를 반복합니다.
5. 유체 챔버를위한 폴리 디메틸 실록산의 준비 (PDMS)는 몰드
- 계량 컵, PDMS 단량체 중량 9 부품을 넣고 경화제 1 중량 부를 추가하고 철저하게 두 가지를 혼합.
- 25 분 데시 케이 터 드가 혼합. 거품이 혼합물을 상승 떠날 것입니다.
팁 : 혼합물이 거품이 시작되면 챔버를 배출하고 몇 가지에 대한 정착하자다시 탈기되기까지의 시간 (초).
- 페트리 접시의 새로운 실리콘 웨이퍼를 놓습니다. 웨이퍼 위에 5mm의 PDMS 층을 가지고 그 위에 탈기 PDMS 혼합물을 부어.
- 1 시간 70 오븐에 페트리 접시 ° C를 놓습니다.
- 페트리 접시를 제거하고 식혀 보자. PDMS의 사각형 조각을 잘라 핀셋을 사용하여 그것을 밖으로 끌어 메스를 사용합니다.
팁 : 직접 실리콘 웨이퍼와 접촉 PDMS면이 깨끗하고 매우 평면이다. 이면은 SWNT FET 다이에 접촉 될 것이다. 그것을 오염되지 않도록주의해야합니다.
- 거꾸로 직사각형의 다이를 배치하고 다른 평평한면에서 생검 펀치 (3 mm 직경)를 사용하여에 구멍을 뚫습니다. 이 PDMS (그림 4A)의 평평한 측에 거친 가장자리를 보장하지 않습니다.
- <제작 SWNT FET 다이 (의 활성 영역의 맨 위에 정렬하여 조심스럽게 장치의 상단에 PDMS 챔버를 배치강해> 그림 4A, B). 다이 스탬프를 확보하기 위해 부드럽게 누릅니다. 누설 챔버를 제공하는 다이 평평한면 채권.
팁 :이 육안으로 수행하거나 충분한 작업 공간을 광학 현미경을 사용 할 수 있습니다. PDMS 잘 스틱 (다이 및 / 또는 PDMS 스탬프가 깨끗하지 일반적 경우)하지 않는 경우, 결합을 지원하기 위해 PDMS에 (20w, 15 초) 산소 플라즈마를 않습니다. 강한 결합이 리드보다 높은 플라즈마 파워를 사용하는, 그러나, 우리는 이러한 경우에 PDMS를 제거하는 동안 전극 추출 보았다.
- 전기 테스트 후 DI 물에 주사위를 찍기 부드럽게 스탬프를 들어 올려 옆에 화학 작용 단계 전에 PDMS 스탬프를 제거합니다.
6. 미세 유체 흐름 채널의 준비
- 깨끗한 실리콘 웨이퍼를 가지고있는 수분을 제거하기 위하여 5 분 동안 200 ° C에서 뜨거운 접시에 놓습니다.
- 500 rpm으로 코트 SU-8 2015 회전(100 RPM / 초 램프 속도) 후 5 초, 300 분당 회전 수 / 초 램프 속도로 30 초 동안 1,250 rpm으로합니다. 이 실리콘 웨이퍼에 30 μm의 두께의 SU-8 층을 제공합니다.
- 부드러운 빵을 95에서 웨이퍼 ° C 5 분.
- SWNT 영역의 상단에 300 μm의 폭 넓은 교류 수로 패턴을 정의하는 포토 마스크 (그림 4C)를 디자인합니다.
팁 : 구조 채널 폭의 붕괴를 방지하려면 : 10:1 높이 비율 (이 경우 30 μm의 300 μm의) 충분합니다.
- 365 nm의 자외선 리소그래피를 사용하면 0.9 초 UV 노출 시간이 흐름 채널을 정의합니다.
- 5 분 95 다이 ° C를 구워 게시 할 수 있습니다.
- 부드러운 흔들림과 함께 5 분 SU-8 개발자의 패턴을 개발합니다.
- IPA에 웨이퍼를 씻어 N 2 총을 불어 건조시킵니다.
- PDMS 혼합물을 제조하는 단계 5.1-5.2를 수행합니다.
- silanizing 에이전트 TRIC의 2 ~ 3 방울과 함께 데시 케이 터 SU-8 몰드로 웨이퍼를 배치hloro (3, 3, 3 trifluoropropyl) 페트리 접시에 실란. 진공 펌프를 켜고는 웨이퍼 1 시간 동안 진공에 앉아 보자.
- 웨이퍼에 가스가 제거 된 PDMS 혼합물을 붓고 1 시간 동안 70 ° C에서 오븐에 가열한다.
- 메스를 사용하여 PDMS 금형 (SU-8 음) 잘라.
- 거꾸로 PDMS 스탬프를 배치하고 유동 채널의 양쪽 끝에 구멍을 드릴 생검 펀치 (0.75 mm 직경)를 사용하여. 거친 가장자리를 (그림 4E)을 방지하기 위해 다른 평평한면 (실리콘 웨이퍼와 접촉하는면)에 구멍을 뚫을 수 있는지 확인하십시오.
- 현미경 제작 된 SWNT FET 다이의 활성 영역의 맨 위에 정렬하여 조심스럽게 장치의 상단에 PDMS 유량 용기를 놓습니다. 다이 스탬프를 확보하기 위해 부드럽게 누릅니다. 누설 챔버를 제공하는 다이 평평한면 채권. (그림 4C와 4D)
- 구멍에 폴리에틸렌 관을 누르고 유체 소스와 드레인 주사기 (F에 다른 쪽 끝을 연결합니다igure 4E).
- 채널 (그림 6)를 통해 유체의 제어 흐름을 유지하기 위해 주사기 펌프 시스템에 주사기를 연결합니다.
7. DC 전기 측정 설정
- 소스와 DAQ 카드의 전압 포트 FET SWNT의 게이트 연락처를 연결합니다.
- 현재 프리 앰프를 통해 DAQ 카드의 입력 포트에 드레인 접점을 연결합니다.
- 소스 연락하는 30 밀리 볼트 (MV)을 적용 게이트 전압을 청소 및 드레인 (그림 5a)에서 전류를 기록한다.
팁 : 솔루션의 측정을 위해, 내 게이트 전압 스윕 매개 변수를 유지 | 0.7 볼트 | 누설 게이트 금속 전극과 용액 사이의 반응을 방지 할 수 있습니다.
8. AC 전기 측정 설정
- 설정하는 주파수 발생기의 외부 변조 신호 포트 증폭기 잠금 출발 참조 아웃 신호를 연결 변조 된 freque를 오전NCY 출력.
- 바이어스 티 (그림 5b 및 5c)를 사용하여 DAQ 카드에서 주파수 발생기와 직류 전압의 AM-변조 된 RF 출력 포트에 FET SWNT의 소스 접촉을 연결합니다.
- DAQ 카드의 전압 포트 게이트 접촉을 연결합니다.
- 나노 튜브를 통해 AC 전류를 읽을 잠금 앰프에 드레인 접점을 연결합니다. DAQ 입력 포트를 통해 진폭과 전류의 위상을 읽습니다.
- 200 킬로 헤르츠 (kHz에서)에서 0 볼트와 AM 신호 주파수에서 원본 DC 전압을 누릅니다.
- 게이트 전압을 청소 및 드레인의 전류를 측정한다.
- 서로 다른 주파수에서 I 믹스-V G 스윕에 대한 주파수 단계를 반복 8.6 증가한다.
9. 솔루션의 전기적 측정 (없음 흐름)
- 1 mM의 NaCl을, 10 MM NaCl을하고 5M NaCl을 원액부터 100 mM의 NaCl을 소금 솔루션을 준비합니다.
- 단계 3.13에서 SWNT 장치를 가져 가라. biotinylate를 얻기 위해 단계 4.1-4.5를 수행D 장치.
- 장치의 맨 위에 PDMS 챔버를 넣어 5 단계를 따르십시오.
- 피펫을 사용하여 DI 물과 챔버를 채우십시오.
- 다른 주파수에 대한 주파수를 혼합 측정을위한 8 단계를 따르십시오.
- 세 가지 다른 소금 용액 1 ㎜의 NaCl, 10 MM NaCl을 100 mM의 NaCl을 9.4 단계를 반복합니다.
팁 : 이전 솔루션을 철회하고 새로운 솔루션과 챔버를 여러 번 세척하는 피펫을 사용합니다. 항상 높은 농도 솔루션 낮은에서 전환합니다.
- 부드럽게 트위터에 스탬프를 올려 PDMS 스탬프를 제거합니다.
- 철저 DI 물과 장치를 헹구십시오.
- 4.6-4.7에 설명 된대로 스트렙 바인딩을 수행합니다.
- 단계 9.3-9.6를 반복합니다.
10. 솔루션의 전기적 측정 (실시간 흐름)
- 5 M NaCl을 원액부터 100 mM의 NaCl을 염 용액을 준비합니다.
- 인트에서 SWNT 장치를 선택P 3.13. 바이오틴 장치를 획득하는 단계 4.1-4.5를 수행합니다.
- 6 단계에 따라 장치의 마이크로 유체 흐름 채널을 배치 .. 금단 모드 동작을위한 마이크로 유체 채널의 한쪽 끝을 빈 주사기를 연결합니다. 다른 쪽 끝에서 100 mM의 NaCl을 배경 용액을 주사기를 연결합니다.
- 8 단계에서 설명 된대로 전기 측정을 설정합니다. 주파수 (f = 10 MHz의) 고정 게이트 전압 바이어스 (V = 0).
- 금단 모드에서 주사기 펌프를 시작합니다 (유량 = 0.4 ML 시간 -1)와 시간 전류 신호를 모니터링합니다. 100 mM의 염화나트륨과 스트렙 타비 딘 - 비오틴 결합 (그림 6)에 대한 모니터 신호 변화 1mg/ml의 스트렙 타비 딘에 대한 해결책을 전환합니다.
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Representative Results
중단 탑 게이트와 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터의 주사 전자 현미경 이미지는 그림 7A에 표시됩니다. 게이트 크기는 정지 25 일에 대한 중요합니다. 현재 디자인 치수 (x 가로 x 두께 = 25 μm의 X 1 ㎛ × 100 nm의 길이)입니다. 게이트 전극은 50 nm의 Cr/50 뉴 멕시코의 Au 구성되어 두꺼운 크롬 층은 중단 구조에 힘을 더 추가합니다. 중단 된 구조는 탑 게이트와 드레인 (그림 7b) 간의 누설 전류의 유무에 의해 확인된다.
우리는 우리의 SWNT 센서를 평가하기 위해 비오틴 - 스트렙 타비 딘 리간드 - 수용체 시스템을 사용합니다. 측벽 작용의 성공을 특성화하기 위해 우리는 각 작용 단계 후 공기 FET DC 전송 곡선을 모니터링 할 수 있습니다. 77 그림 설명이 biotinylation 후 오른쪽으로 이동 곡선의 변화 (적색)와 스트렙 바인딩 (파란색). 이 electronegati에 의해 정전기 게이트에 기인 할 수있다비오틴 PEO-아민 스트렙 타비 딘에 존재하는 아민 그룹을 VE.
고주파 측정을 위해, 우리는 그림 5b에 표시된 회로도를 따릅니다. 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터의 비선형 IV 특성은 우리의 감지 신호입니다 나는 혼합, 혼합 출력 전류를 산출하는 소스와 게이트에서 고주파 입력을 혼합. 그림 7D 나는 전형적인 장치의 게이트 전압의 함수로 측정 혼합 보여줍니다 100 mM의 NaCl을합니다. 에 대한 혼합 전류, 변조 주파수, ω m로 변조 입력을 오전 10-11 주어진다
여기서 m은 변조 깊이 (V AC는 AM 입력 진폭 및 ∂ G / ∂ V G는 장치의 트랜스 컨덕턴스는 I의 기울기
생명 감지를 들어, CNT는 즉 그런가 2가 완전히 BHF 에칭 단계에서 에칭 된 솔루션에 직접 노출되는 필요하다. 이 조건이 충족되지 않으면 링커 분자가 나노 튜브 측벽을 따라 스택 할 수 없기 때문에, CNT의의 화학적 변형 할 수 없습니다.우리가 전에 그런가 2 패시베이션 장치 DI 물에도 바인딩 후의 변화를 볼 수없는 곳이 명확하게 그림 7g에 설명되어 있습니다. 이것은 또한 우리의 측정 결과가 성공적 화학적 변형뿐만 아니라 높은 배경 이온 농도 생명 검출을 나타내는 것을 증명한다. 모든 측정에서, 우리는 센서의 응답이 설정에서 공진에 의한 30 ㎒ 이상 떨어 것을 관찰합니다.
그림 1. 나노 튜브 트랜지스터 제조 공정 흐름 (a) 제조 공정 -. (1) 포토 마스크 레이어 1 소스 드레인 촉매 증착, (2) 금속 이륙, (3) CNT의 성장 (4) PL-2 (PL-1) 접촉, 문 접촉 (5) 금속 이륙, (6) 그런가 2 담요 증착 (7) PL-3 (8) 금속포토 레지스트 제거 후 BHF 습식 식각 채널 (11) 최종 장치 이륙 (9) 얇은 그런가 2 담요 증착 (10) PL-4. 색상이 나와 있습니다. 소자 구조의 (B) 도식입니다.
그림 2. 탄소 나노 튜브의 성장. () 포토 레지스트 잔류 물, CNT의 성장 (B)의 성장 단계와 성장 용광로 (C) 장치 배치를 제거하는 단계를 단련.
그림 3. CNT의 화학 작용에 대한 흐름도.
그림 4. 솔루션 측정을위한 PDMS 스탬프 () -. (B) 정적 (아무 유량) 측정 (a) 장치 PMDS 챔버 장치의 흐름 챔버 (B) 개략도 (C)를 펀칭 및 설치 -.. (E ) 유량 측정. SU-8 몰드를 사용하여 PDMS 흐름 채널 (C) 프로세스 흐름. 유동 채널을 정의 (1) 포토 마스크, 장치의 흐름 채널 (2) 교차 연결된 SU-8 형, (3) SU-8 및 장치에 스탬프 (4) PDMS 흐름 채널 PDMS. (D) 도식 다이어그램 (E) 장치의 유동 채널을 각인하고 입구 / 출구 포트에 폴리에틸렌 튜브를 연결 PDMS에 유입 / 유출 구멍을 뚫는.
그림 5. 전기 측정 설정. (A) DC 측정 개략도, (b) AC 혼합 전류 측정 회로도와를위한 실험 장치의 (C) 이미지 변조 주파수 측정을 혼합하십시오. 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
그림 6. 유량 측정 설정 전체 측정 셋업 () 이미지;. (B) 주사기 펌프와 프로브 스테이션, 그리고 PDMS 흐름 채널 유입 / 유출 유량 튜브와 전기 P와 장치 (C) 영상가운.
그림 7. 단일 벽 탄소 나노 튜브 바이오 센서에 대한 대표적인 결과. 일반적인 중단 높은 게이트 장치의 (a) SEM 이미지를 일시 중단 구조를 확인하기 위해 (B) 게이트 - 드레인 누설, FET 깨끗한 나노 튜브에 대한 (C) I DC-V G 곡선 (검정), 후 biotinylation (적색) 후 대기에서 측정 된 스트렙 바인딩 (파란색), (D) DC 전류, I DC (블랙, V SD = 10 MV)과 혼합 전류 함수로 I 혼합 (빨강, 변조 F = 200 kHz에서) 100 mM의 염화나트륨 용액에 장치의 V g의. 이론 I (1) 또한 비교를 위해 (▲) 표시됩니다 방정식 모델을 사용하여 얻은 혼합한다. (E) I 믹스-V G의 현재바이오틴에 대한 VES (검정)와 f = 10 MHz에서 100 mM의 염화나트륨의 스트렙 타비 딘 - 비오틴 결합 (적색) 단일 벽 탄소 나노 튜브 (F) 실시간 유량 측정 100 mM의 NaCl을하고있는 바인딩 후 (G) 신호 변화 스트렙 바인딩을 감지하는 완전히 다른 주파수에서 DI 물에 제어 장치를 비활성화. 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
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Discussion
탄소 나노 튜브의 성장은 용광로 조건뿐만 아니라 기판 청결뿐만 아니라 따라 달라집니다. 성장을위한 최적의 가스 유량, 온도, 압력은 신중하게 보정하고 일단 그들이 더 많거나 적은 안정적인 고정해야합니다. 이러한 조건이 충족되고도 함께, 우리는 성장 패턴 촉매 영역 촉매와 기판 청결의 양에 따라 달라집니다 있습니다. 따라서, 우리는 성장 변화에 대한 계정에 여러 촉매 구덩이 크기를 포함. 한 시간 고온 단계는 기판 PR 잔류 등과 같은 오염 물질을 제거 도왔다. 그림 2는 우리가 단일 벽 탄소 나노 튜브 성장을 위해 채택 된 상태를 보여줍니다 어닐링.
다이 처리 단계에서 오염 물질의 존재는 화학적 및 생물학적 센싱의 스퓨리어스 신호를 발생할 수 있습니다. 따라서, 화학 작용 전후에 완전히 기판을 세척 할 필요가 있습니다. 각 작용 후 세척 단계는 REM하는 데 도움이활성 근처 장치에 부착 할 수있는 여분의 시약을 비켜. 우리는 또한 기판이 깨끗 아니었다면, PDMS 스탬프가 누설되지 않았습니다 및 측정하는 동안 유체 압력을 벗긴 것을 관찰했다. 이러한 경우, PDMS 스탬프 매우 부드러운 O 2 플라즈마 접착력을 도왔다. 너무 강한 O 2 플라즈마 장치에서 제거 잘하지만, 하드 PDMS 스탬프 스틱을 만들 수 있습니다, 우리는 제거 다이 사용할 수 없게하는 동안 전극 추출났습니다. PDMS 스탬프와 다이가 깨끗한 경우, 그들 사이의 접착력은 산소 플라즈마 처리하지 않고 유체의 흐름을 측정 살아남을 수있을만큼 좋다. 이 에칭 탄소 나노 튜브하므로 단일 벽 탄소 나노 튜브 장치에서 O 2 플라즈마를 사용하지 마십시오.
솔루션 기반의 전기 측정에 전류 누출은 감지 신호를 압도. 솔루션도 도체 역할을 할 수 있기 때문에 누설이 발생,의 저항이 증가 소금 농도가 내려갑니다.따라서 트랜지스터 설계 전극 보호막 단계를 통합 할 필요가있다. 우리의 제조 프로토콜에서 두 담요 증언 (500 nm의 20 nm의 그런가 2) 소스, 드레인 및 게이트 금속 접촉에서 누출을 줄일 수있었습니다. 또한, 모든 전기 측정을 복용하기 전에, 게이트 - 드레인 누설 청소가 더 누설 의도 스윕 전압 범위에서 발생하지 않도록하는 것이 좋습니다.
유체 유량 측정의 경우, 유동 채널에서 에어 트랩을 피하기 위해 필요합니다. 공기 센서 응답 할 때 솔루션에 비해 다르기 때문에 공극 왜곡 신호를 발생합니다. 앞으로 펌핑 모드에서이 문제는 종종 유체의 흐름을 방해하는 발생했습니다. 이 금단 모드에서 주사기 펌프를 작동하여 피할되었다.
높은 배경 이온 솔루션 고주파 전기 측정에 대한 응답은 측정 설정에서 공명 손실로 인해 30 ~ 40 MHz의 이상으로 떨어졌다. 우리는 수믿이 낮은 기생 장치를 설계하여 향상시킬 수 있습니다. 최적화 된 게이트 SWNT 거리와 작은 BNC 및 SMA 케이블 감도를 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 그들이 더 경쟁 재정적 이익이 없다는 것을 선언합니다.
Acknowledgments
우리는 초기 논의 코넬 대학에서 교수 폴 McEuen 고 감사합니다. 작업은 스타트 업 펀드 미시간 대학과 국립 과학 재단 (National Science Foundation) 확장 가능한 나노 제조 프로그램 (DMR-1120187)에 의해 제공에 의해 지원됩니다. 이 작품은 미시간 대학, 국립 과학 재단에 의해 후원 국가 나노 인프라 네트워크의 회원에 Lurie는의 나노 제조 시설을 사용했다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| REAGENTS | |||
| Reagents which were provided within Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) are marked as LNF in the catalogue column. Chemicals which require protective equipment (gloves, safety goggles, face mask, apron) and/or fume hood are denoted with PPE in comments section. | |||
| Silicon wafers (P-type, <100>, 500-550 μm thick) | Silicon Valley Microelectronics | ||
| SPR 220 3.0 | Dow (Rohm and Haas) | Megaposit SPR | PPE |
| AZ 300MIF | AZ Electronic Material Corporation | PPE | |
| Acetone | J T Baker | 9005-05 | PPE |
| Isopropanol (IPA) | J T Baker | 9079-05 | |
| Buffered Hydrofluoric Acid | Transene | PPE | |
| 1-Pyrene Butanoic Acid, succinimidyl ester | Molecular Probes | P130 | PPE |
| Biotin PEO Amine | Thermo Scientific | EZ- Link PEG2 Biotin, # 21346 | PPE |
| Streptavidin | Invitrogen | S 888 | PPE |
| Dimethylformamide | MP Biomedicals | 0219514791 | PPE |
| Polydimethylsiloxane Elastomer Base and Curing Agent | Dow Corning | Sylgard 184 Elastomer Kit | PPE |
| SU-8 2015 | Microchem | Y111064 | PPE |
| SU-8 Developer | Microchem | Y020100 | PPE |
| Silanizing agent | Sigma Aldrich | 452807 | PPE |
| Hydrogen | Purity Plus | LNF | |
| Ethylene | Purity Plus | LNF | |
| Argon | Purity Plus | LNF | |
| Phosphate Buffer Saline System | Sigma Aldrich | PBS1 | |
| EQUIPMENT | |||
| Equipment provided by Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) is denoted as LNF in Catalogue column. | |||
| GCA 200 Autostepper | GCA | LNF | |
| Low Pressure Chemical Vapor Deposition Tool | Tempress | LNF | |
| e-beam Evaporator | Enerjet | LNF | |
| CNT growth Furnace | First Nano | Easy Tube 3000 (LNF) | |
| Photomasks | Nanofilm | LNF | |
| Petri dish (150mm) | LNF | ||
| Desiccator | Bel-Art | F420100000 | |
| Biopsy Punch | Ted Pella | 15071/78 | |
| Scalpel | Ted Pella | 548 | |
| Polyethylene Tubing PE-50 | VWR | 20903-414 | |
| Syringe Pump | New Era Pump Systems | NE-1000 | |
| Syringe | Fisher Scientific | BD Safety-Lok Syringes | |
| Syringe Needles | Fisher Scientific | 14-821-13A | |
| DAQ card | National Instruments | 779111-01 | |
| GPIB connector | National Instruments | 778032-51 | |
| Lock-in Amplifier | Stanford Research Systems | SR 830 | |
| Frequency Generator | HP Agilent | 8648B, 9kHz -2GHz | |
| Bias Tee | Picosecond | 5575A-104 | |
| Current Preamplifier | DL Instruments, LLC | DL 1211 | |
| BNC cables | Allied Electronics | 665-xxxx | |
| SMA cables | Sentro Tech Corp | SCF65141 | |
References
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